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1 Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica Título: El análisis del comportamiento modal vibratorio en máquinas rotatorias: Aplicaciones con fines didácticos. Autor: Osmar Aldana Tardo Tutor: Dr.C. Ing. Fernando D. Robles Proenza Holguín 2014

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Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Mecánica

Título: El análisis del comportamiento modal vibratorio en máquinas

rotatorias: Aplicaciones con fines didácticos.

Autor:

Osmar Aldana Tardo

Tutor:

Dr.C. Ing. Fernando D. Robles Proenza

Holguín 2014

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AGRADECIMIENTOS

A mis padres por toda la ayuda que me brindaron para el desarrollo de este

trabajo.

A toda mi familia

A mi tutor Fernando Daniel Robles Proenza.

A José Peña Padroza. Especialista Grupo diagnóstico y Héctor Linares. Jefe de

Programación de la Empresa Productora de Níquel y Cobalto “Comandante

Ernesto Che Guevara” Moa, Holguín por todo su apoyo.

A todos mis amigos.

A todos los profesores que me educaron.

A todas las personas que contribuyeron de forma directa e indirecta a la

realización de este trabajo.

A las FAR por permitirme estudiar esta carrera y por todo el apoyo que me ha

dado.

Page 3: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

Resumen

En el presente trabajo se hace un análisis del comportamiento de las frecuencias

naturales, los modos de vibración y el grado de amortiguación en los sistemas

mecánicos rotatorios y la influencia de su configuración en la respuesta estructural

del conjunto. Se hace un estudio de los principales factores que varían la

capacidad de respuesta modal de un sistema rotodinámico para evitar la

resonancia en máquinas rotatorias y se proponen ejercicios de laboratorio de

informática para enriquecer el conocimiento del tema en la formación del

Ingeniero Mecánico, para que sea capaz de resolver problemas de este tipo,

analizando el comportamiento dinámico de este tipo de sistemas y sus posibles

aplicaciones prácticas.

Page 4: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

Summary

In the present work becomes an analysis of the behavior of the natural

frequencies, the manners of vibration and the degree of muffling in the mechanical

rotatory systems and the influence of its configuration in the structural answer of

the set. A study of the number one factors that vary the modal response capacity

of a rotatory system to avoid the resonance in rotatory machines and set

themselves exercises of laboratory of information technology to enrich the

knowledge of the theme in the formation of the Mechanical Engineer, in order that

is capable to solve suchlike problems is done, analyzing the dynamic behavior of

this type of systems and his possible practical applications.

Page 5: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................ 1

Situación Problémica: ................................................................................................................................ 3

Problema: .................................................................................................................................................... 4

Objeto de la investigación: ........................................................................................................................ 4

Campo de acción: ...................................................................................................................................... 4

Hipótesis: ..................................................................................................................................................... 4

Objetivo: ....................................................................................................................................................... 4

Tareas de investigación: ........................................................................................................................... 4

Métodos de investigación: ......................................................................................................................... 5

Resultados esperados: .............................................................................................................................. 6

CAPÍTULO I: Fundamentación teórica ................................................................................................... 6

1.1 Mantenimiento ...................................................................................................................................... 6

1.2 Vibraciones en maquinarias ............................................................................................................... 8

1.3Método de los elementos finitos .......................................................................................................23

CAPÍTULO II: Análisis modal en sistemas rotatorios. ........................................................................39

2.1 Principios básicos para el análisis de frecuencias .......................................................................39

2.2 Métodos para solución rotodinámica ..............................................................................................50

2.3 Comportamiento rotodinámico según las variaciones de las características físico-

geométricas de sistemas rotatorios. .....................................................................................................53

2.3.1 Demostración de la influencia de la variación de la posición de los elementos en la

respuesta estructural del conjunto .........................................................................................................54

2.3.2 Estudio de sensibilidad ..................................................................................................................67

2.4 Propuesta de laboratorio ..................................................................................................................69

Impacto económico ..................................................................................................................................70

Contribución a la defensa de la Patria ..................................................................................................70

CONCLUSIONES .....................................................................................................................................72

Recomendaciones ....................................................................................................................................74

BIBLIOGRAFÍA .........................................................................................................................................75

Page 6: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

1

INTRODUCCIÓN

En las etapas del desarrollo humano fue necesario crear diferentes utensilios y

herramientas para hacer más fácil las tareas y aumentar su eficiencia. Durante

todo este período de desarrollo se hicieron grandes descubrimientos científicos,

pero no fue hasta la revolución industrial donde se crearon grandes máquinas e

industrias que eran necesario mantenerlas en funcionamiento, por lo que surge

una nueva idea el mantenimiento, aunque anteriormente también se idearon

algunas de sus formas, que toma su auge en este período.

Posteriormente se fueron modernizando las técnicas de fabricación y la tecnología

de los equipos y ya se tuvieron que diseñar nuevas estrategias de trabajo ya que

el costo de mantenimiento ascendía. En esta situación aparecieron nuevas

estrategias, fue así que surgen tecnologías proactivas, que no son más que

aquellas técnicas de diagnóstico en que se puede determinar el estado técnico de

un equipo sin tener que desarmarlo.

Con el desarrollo de estas nuevas técnicas se resolvía un problema, pues, con

estas se puede determinar cuándo darle mantenimiento a una máquina por lo que

se hace más eficiente el proceso y bajan los costos. Dentro de estas técnicas de

diagnóstico se encuentra el análisis vibratorio que es el más importante de todos

pues con este se pueden determinar los valores raíz media cuadrática del nivel de

la vibración (RMS) y el espectro de frecuencia, donde se puede determinar cuáles

pueden ser los posibles defectos de un equipo y después de obtener estos

valores, se proponen las soluciones.

El mantenimiento todos los días está evolucionando, y con él, también se ha

incrementado el uso de los instrumentos electrónicos de medición. Ahora vemos

que empresas industriales de todo nivel, están complementando su visión de

realizar mantenimientos correctivos y preventivos para asegurar disponibilidad,

con un mantenimiento proactivo que contempla conceptos relativamente nuevos

Page 7: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

2

tales como confiabilidad (mantenimiento predictivo), mantenimiento basado en

condición, aseguramiento de la calidad del mantenimiento.

El alto costo de instrumentos comerciales para la recolección y análisis de

vibraciones, así como su arquitectura compacta y cerrada ha llevado a buscar

nuevas alternativas. Los instrumentos basados en sistemas de adquisición de

datos constituyen una herramienta poderosa para el desarrollo de instrumentos

más económicos y flexibles, haciendo a la tecnología como la principal aliada en

la gestión del mantenimiento.

La mayoría de las industrias buscan cada vez más productividad y necesitan que

sus máquinas estén funcionando al 100% todo el tiempo y que la producción no

pare. Por eso se han incluido dentro de los programas de mantenimiento, el

mantenimiento predictivo que utiliza el monitoreo y análisis de las vibraciones con

el fin de establecer cuál es el estado de salud mecánica de las máquinas y en

particular de sus elementos más críticos para de esta manera poder prevenir fallas

catastróficas.

Todas las máquinas vibran, con independencia de su antigüedad o modernidad, el

desarrollo de fallos provoca variaciones de los niveles de vibraciones originando

componentes que lo caracterizan solamente en espectro, mostrando la amplitud

de dichos componentes acerca de la severidad de los defectos.

También es muy importante determinar las características físicas de sistema, es

decir, las frecuencias naturales y los modos normales de las vibraciones

presentes en los sistemas, es una parte muy importante para el diseño de

máquinas porque si las frecuencias de trabajo de un equipo en cierto momento se

iguala a alguna de estas frecuencias pueden ocurrir desastres catastróficos, en el

caso de grandes equipos, producto de la resonancia.

Actualmente en el mundo existe un amplio desarrollo del diseño y la fabricación

de equipos para realizar disímiles tareas pero antes de fabricarlos y distribuirlos a

los usuarios hay que demostrar que son seguros para trabajar porque de lo

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3

contrario serían sancionados por las leyes internacionales. Por eso y otras

razones es muy necesario hacer los estudios necesarios que comprueben que

cumplen con su destino de servicio.

Desde aquí proviene la importancia se saber que según el diseño de una máquina

ella se comportará de una manera e incluso cambiando las posiciones de las

cargas y los apoyos pueden cambiar sus frecuencias naturales, por eso en todas

las empresas que fabrican máquinas de cualquier tipo en el mundo realizan

análisis del comportamiento de las frecuencias naturales, sus modos de vibración

y su grado de amortiguamiento para que en su funcionamiento las frecuencias se

encuentren lejos y así estar seguro que no ocurrirá ninguna falla inesperada del

equipo.

En Cuba se ha ido fomentando el empleo de estas técnicas con la aparición de

software creados para la determinación de las principales frecuencias naturales y

así comprobar el funcionamiento de una máquina. La implementación de estas

técnicas se ve más afectada porque no existen grandes empresas que se

dediquen a competir con indicadores de calidad en el mercado mundial.

En la Universidad de Holguín “Oscar Lucero Moya” se ha estado estudiando las

aplicaciones de las vibraciones pero todavía no se ha realizado un trabajo

utilizando el SolidWorks Simulation para determinar el cómo se comportan las

frecuencias naturales, los modos de vibración y el grado de amortiguación en los

sistemas mecánicos rotatorios al variar algunas de sus características físicas.

Situación Problémica:

En la Universidad de Holguín Oscar Lucero Moya se ha realizado estudios del

comportamiento de las frecuencias naturales, los modos de vibración y el grado

de amortiguación en los sistemas mecánicos rotatorios, pero no se han

sistematizado estos conocimientos para su empleo como técnica de diagnóstico

vibratorio con fines didácticos. Tampoco se han realizado estudios de la influencia

de distintos parámetros, dimensionales y de materiales, en la respuesta

estructural del conjunto.

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Problema:

¿Cómo determinar el comportamiento de las frecuencias naturales, los modos de

vibración y el grado de amortiguación en los sistemas mecánicos rotatorios, así

como, la influencia de su configuración en la respuesta estructural del conjunto?

Objeto de la investigación:

Sistemas mecánicos rotatorios.

Campo de acción:

Comportamiento de las frecuencias naturales, los modos de vibración y el grado

de amortiguación en los sistemas mecánicos rotatorios, así como, la influencia de

su configuración en la respuesta estructural del conjunto.

Hipótesis:

Si se determina el comportamiento de las frecuencias naturales, los modos de

vibración y el grado de amortiguación en los sistemas mecánicos rotatorios, así

como, la influencia de su configuración en la respuesta estructural del conjunto, se

podrán determinar parámetros estructurales que tienen influencia en el diseño, la

explotación y el mantenimiento de distintas máquinas.

Objetivo:

Determinar el comportamiento de las frecuencias naturales, los modos de

vibración y el grado de amortiguación en los sistemas mecánicos rotatorios, así

como, la influencia de su configuración en la respuesta estructural del conjunto.

Tareas de investigación:

Elaborar el marco teórico conceptual sobre las principales tendencias en el

mundo en el uso del análisis de las frecuencias naturales, los modos de

vibración y el grado de amortiguación.

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Profundizar en los principios teóricos que sustentan el análisis de las

frecuencias naturales, los modos de vibración y el grado de amortiguación

Teoría de las vibraciones

Técnicas del Mantenimiento

Realizar modelos de conjuntos mecánicos rotatorios con diferentes

configuración

Determinar el comportamiento rotodinámico a través de un estudio de

frecuencia a los conjuntos

Interpretar los resultados

Elaborar el informe final

Métodos de investigación:

Método teórico.

- Análisis y síntesis: La revisión bibliográfica relacionada con el análisis de

frecuencias naturales, los modos de vibración y el grado de amortiguación a partir

de lo estudiado se hace un breve resumen.

- Modelación: Permite obtener un diseño de diferentes modelos de los sistemas

mecánicos rotatorios a través SolidWorks.

Método empírico.

El Criterios de los expertos: Consulta a profesionales y a personas que tengan

conocimiento del análisis de frecuencias.

La Observación: Se observarán los comportamientos de máquinas con diferentes

configuraciones de sistemas mecánicos rotatorios y su funcionamiento bajo

diferentes condiciones de trabajo

Page 11: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

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Resultados esperados:

Obtener el comportamiento de las frecuencias naturales, los modos de vibración y

el grado de amortiguación en los sistemas mecánicos rotatorios, así como, la

influencia de su configuración en la respuesta estructural del conjunto.

CAPÍTULO I: Fundamentación teórica

Este capítulo tiene como objetivo proveer las herramientas necesarias para

determinar el comportamiento de las frecuencias naturales y los modos de

vibración, así como, la influencia de su configuración en la respuesta estructural

en los sistemas mecánicos básicos para realizar el análisis vibratorio.

1.1 Mantenimiento

En la última década, las estrictas normas de calidad certificada que se deben

cumplir, así como la intensa presión competitiva entre industrias del mismo rubro

para mantenerse en el mercado nacional e internacional, ha estado forzando a los

responsables del mantenimiento en las plantas industriales a implementar los

cambios que se requieren para pasar de ser un departamento que realiza

reparaciones y cambia piezas y/o máquinas completas, a una unidad de alto nivel

que contribuye de gran manera en asegurar los niveles de producción. Es por

tanto necesario hacer notar que la actividad de “mantener”, si es llevada a cabo de

la mejor manera, puede generar un mejor producto lo que significa producción de

mejor calidad, en mayor cantidad y con costos más bajos. (Saavedra, 2001).

Una de las formas en que se pueden clasificar las estrategias de mantenimiento

es:

Mantenimiento Reactivo., e estrategia con la cual se permite a la máquina

funcionar hasta la falla y sólo hasta ese momento se decide realizar la reparación

o reemplazo de ella.

Mantenimiento Preventivo., estrategia en la que se programan periódicamente las

intervenciones en las máquinas, con el objeto principal de inspeccionar, reparar

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y/o reemplazar componentes. Las intervenciones se realizan aun cuando la

máquina esté operando satisfactoriamente.

Mantenimiento Predictivo., estrategia de mantenimiento que busca por medio de

la medición y el análisis de los diversos síntomas que la máquina emite al exterior

establecer la condición mecánica de la máquina y su evolución en el tiempo. Una

de sus grandes ventajas es que se lleva a cabo mientras la máquina está en

funcionamiento y sólo se programa su detención cuando se detecta un problema y

se desea corregir.

Mantenimiento Proactivo., con esta estrategia de mantenimiento se pretende

maximizar la vida útil operativa de las máquinas y sus componentes, identificando

y corrigiendo las causas que corrientemente originan las fallas. Por ejemplo

asegurando que las máquinas funcionan bajo las condiciones de carga y

velocidad establecida por su condición de diseño y que además sus componentes

(rodamientos, sellos, acoples, etc.) son instalados correctamente y que su

condición de lubricación es adecuada ya se puede asegurar una vida útil operativa

más extendida y con menos paradas intermedias que el promedio de las

máquinas del mismo tipo.

Es indudable que el aumento de la vida operativa de la máquina a través de una

estrategia de mantenimiento predictiva–proactiva, disminuye los costos de

mantenimiento e incrementa la productividad de la Planta. Sin embargo, se ha

podido notar a través de experiencias de varias empresas, que no se han logrado

los resultados esperados principalmente por falta de personas bien capacitadas

en el tema. La ingeniería ha avanzado en todas sus ramas incluyendo los

instrumentos y técnicas que se han desarrollado y que de alguna manera

sustentan la credibilidad de los programas de mantenimiento predictivo

implementados en la industria. Para que estos programas sean efectivos, es

necesario poder determinar en cualquier instante la condición mecánica real de

las máquinas bajo estudio, lo cual se logra analizando las diferentes señales que

ellas emiten al exterior. Modernos sistemas computacionales modernos se han

desarrollado para monitorear continuamente, registrar y procesar información

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proveniente tanto de los síntomas tanto de vibración como de temperatura,

presión, ruido entre otros. (Saavedra, 2001).

1.2 Vibraciones en maquinarias

A través de los años ya sea por contacto directo o con el empleo de algún

dispositivo de naturaleza subjetiva, los operadores de máquina han empleado

técnicas de verificación auditiva «también subjetivas» para comprobar si el

comportamiento de "su máquina" es NORMAL o no. De aquí que, tradicionalmente

y quizás en forma inconsciente, las vibraciones hayan sido utilizadas como un

indicador del estado técnico de las máquinas y hasta hoy día, continúen siendo el

fenómeno más representativo del estado técnico de éstas, pudiéndose a través de

la medición de vibraciones, detectar e identificar fallos ya desarrollados o en

período de desarrollo prematuro.

1.2.1Relación fuerzas - vibraciones

En la Figura 1.1 se muestra el esquema de la unidad conducida de cierta

máquina. En aras de simplificar el ejemplo, se asumirá excelencia en la alineación

tanto de la unidad conducida con la unidad conductora a través del acoplamiento

A, como entre los apoyos BC que sirven de sustento al eje ABCD. De igual forma,

se admitirá que la única afectación que existe en la condición mecánica de la

máquina estudiada es el desbalance del rotor D, en el cual se ha representado la

fuerza dinámica que produce este desbalance.

Figura 1.1. Ejemplo de la relación fuerzas – vibraciones. (Fuente: Palomino, 1996)

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Por su parte, la Figura 1.2a) ilustra en el plano las reacciones que se generan

en los apoyos B y C debido a la acción de la fuerza dinámica generada por el

desbalance que por supuesto, sólo existe si la máquina rota y esto lo hace con

una frecuencia .

Ambas reacciones se determinan según las siguientes expresiones:

;

(1.1)

Claro está, ambas reacciones también son de naturaleza dinámica, toda vez que

son el resultado de la acción de una fuerza también dinámica, originada por el

desbalance del rotor.

Luego entonces, si se analiza el apoyo B por ejemplo (Figura 1.2b), sobre éste

actúa una fuerza dinámica de la cual sólo se ha representado su componente

horizontal (eje x), que en el instante observado produce un desplazamiento

del apoyo hacia la derecha. Este desplazamiento dinámico estará

condicionado, por la severidad de la fuerza dinámica y por la rigidez del propio

apoyo en la dirección horizontal según:

(1.2)

Page 15: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

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Figura 1.2. a) Diagrama de distribución de fuerzas, b) Relación fuerzas –

desplazamiento

De esta forma, los desplazamientos de las vibraciones de ambos apoyos podrán

ser descritos a través de las siguientes expresiones:

;

(1.3)

Todo esto puede ser representado gráficamente de acuerdo con lo ilustrado en la

Figura 1.3. Observe que el desplazamiento dinámico en ambos apoyos, tiene

lugar en el dominio del tiempo, según una función senoidal cuya frecuencia es

para ambos apoyos con amplitudes XB y XC respectivamente, de acuerdo con:

; (1.4)

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Figura 1.3. Representación temporal y espectral de las vibraciones debidas al

desbalance

Otro tanto sucede en el dominio de la frecuencia. Ambos espectros de

desplazamiento exhiben una línea a la frecuencia con amplitudes XB y XC

respectivamente. El lector no debe perder de vista que el ejemplo mostrado ha

sido concebido como resultado de muchas simplificaciones, ya que no sólo es el

desbalance el único problema que afecta la condición mecánica de la maquinaria

industrial. De manera que en el peor de los casos, las vibraciones mostrarán en el

dominio del tiempo una apariencia similar a la ilustrada en la Figura 1.4a) y en el

dominio de la frecuencia no sólo exhibirán una línea sino que se observarán

tantas como frecuencias contengan los registros de vibraciones. Observe la Figura

1.4b). Esta última forma es la de mayor utilidad ya que cada fallo tiene su "firma"

característica en el denominado espectro de las vibraciones. Ambas formas de

observación tienen sus virtudes y sus inconvenientes pero en cualquier caso se

requiere por una parte, de una instrumentación adecuada para registrar los niveles

de vibraciones y por otra parte, de una formación teórico - práctica que permita la

interpretación y comprensión de los fenómenos dinámicos que estén teniendo

lugar en la máquina en cuestión.

En resumen, una observación como la de la Figura 1.4a) es empleada

generalmente durante la etapa de detección dentro del Programa de

Mantenimiento Predictivo (PMP) y la representación espectral de la Figura 1.4b)

es empleada por excelencia como parte de la etapa de identificación dentro del

propio PMP.

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Figura 1.4. Formas de observación de las vibraciones. (Fuente: Palomino, 1996)

1.2.2 Caracterización de las vibraciones en maquinarias

El estudio de las vibraciones está relacionado con el comportamiento oscilatorio

de los cuerpos, teniendo en cuenta que la mayoría de las maquinarias y

estructuras experimentan vibraciones en mayor o menor grado, por lo cual éstas

se deberán tener en cuenta al abordar los cálculos de diseño y/o comprobación

así como en los controles periódicos del estado técnico de las mismas.

Según la norma ISO 2041 en relación con la Terminología en Vibraciones se

establece dos cosas:

VIBRACIÓN es toda variación en el tiempo, de una magnitud que describe el

movimiento o la posición de un sistema mecánico, cuando esta magnitud es

alternativamente mayor o menor que cierto valor promedio o de referencia

De igual forma, se establece que:

VIBRACIÓN LINEAL es una vibración en la cual la trayectoria vibratoria de un

punto tiene lugar según una línea recta

El movimiento físico de una máquina rotatoria se interpreta como una vibración

cuyas frecuencias y amplitudes tienen que ser cuantificadas a través de un

dispositivo que convierta éstas en un producto que pueda ser medido y analizado

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posteriormente. Así, la FRECUENCIA describirá ¿qué está mal? en la máquina y

la AMPLITUD ¿cuán severo? es el problema. Las vibraciones pueden ser de

naturaleza ARMÓNICA, PERIÓDICA o ALEATORIA.

Figura 1.5. Vibración armónica.

Vibración Armónica

Constituye la forma más simple de oscilación (Figura 1.5). Caracterizada por una

senosoide, puede ser generada en sistemas lineales debido a la presencia de

algún problema potencial, un desbalance por ejemplo. Este movimiento puede ser

estudiado a través de un vector rotatorio con velocidad angular constante a

partir de la cual se define la frecuencia de oscilación f expresada en Hertz [Hz], a

diferencia de la frecuencia angular que se expresa en [1/s]. Todo esto conduce a

la modelación matemática de este fenómeno según:

(1.5)

Siendo la fase de la vibración.

Estas expresiones avalan la definición de frecuencia que hace la norma ISO 2041

FRECUENCIA es el recíproco del período fundamental (tiempo de repetición

de un fenómeno periódico). Se expresa en Hertz [Hz], lo cual se corresponde

con un ciclo por segundo

Más adelante se profundizará en el concepto de fase de la vibración por ser de

gran utilidad en el monitorizado de la condición mecánica de máquinas rotatorias.

Vibración Periódica

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Es un movimiento que se repite periódicamente tal y como se observa en la Figura

1.6. Por ejemplo, un problema en una transmisión dentada puede producir una

vibración que aunque no es armónica es periódica.

Figura 1.6. Vibración periódica (Fuente: Palomino, 1996)

Vibración Aleatoria

Ocurre en forma errática y tiene contenidos de frecuencias en toda la banda de

frecuencias analizada. Observe la Figura 1.7. Esto quiere decir que las vibraciones

aleatorias producirán un espectro continuo o lo que es lo mismo, el espectro

estará constituido por "infinitas" vibraciones armónicas, cada una caracterizada

por amplitud, frecuencia y fase respectivamente.

Figura 1.7. Vibración aleatoria

1.2.3 Sistema máquina - soportes

El sistema máquina - soportes puede ser descrito a través de un sistema masa -

resorte-amortiguador. Desde el punto de vista práctico, cualquier parte de un

sistema que pueda ser deformado al aplicársele una fuerza y pueda recuperar su

forma inicial al cesar ésta, podrá ser tratado para su estudio como un resorte,

Page 20: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

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siendo la CONSTANTE ELÁSTICA k de éste, la magnitud de fuerza necesaria

para deformarlo la unidad de longitud o sea, esta constante k, denominada

habitualmente rigidez, se expresa en unidades de [fuerza/longitud]. De aquí que,

un elemento elástico responda con una fuerza que es k veces su propia

deformación (Figura 1.8).

Así, el tramo de árbol que media entre dos rodamientos, el bloque de hormigón

sobre el cual descansa una máquina o la carcasa de un motor, pueden ser

tratados como resortes durante el análisis dinámico de estos sistemas.

Realmente, en la práctica de ingeniería durante el fenómeno vibratorio se disipa

energía en mayor o menor grado, lo que implica que la amplitud del movimiento

no se mantenga constante en el transcurso del tiempo posterior a un "impulso"

inicial, como no sea que una fuerza se encargue de restablecer estas pérdidas.

Las fuerzas amortiguadoras son extremadamente complicadas de modelar por lo

que, de acuerdo al alcance de este material, sólo será considerada la influencia

del llamado amortiguamiento viscoso, caracterizado por el hecho de que la fuerza

amortiguadora (Figura 1.8), es proporcional a la velocidad del movimiento en una

magnitud C, denominada COEFICIENTE DE AMORTIGUAMIENTO y que es

expresado en unidades de [fuerza - tiempo/longitud] .

Tal sistema máquina - soportes, simplificado a un sistema masa - resorte -

amortiguador, formado por una masa m vinculada a tierra a través de un resorte k

y un amortiguador C según se observa en la Figura 1.8, tendrá un comportamiento

dinámico que estará caracterizado fundamentalmente por su FRECUENCIA

NATURAL o FRECUENCIA DELAS VIBRACIONES PROPIAS NO

AMORTIGUADAS, que a su vez serán descritas por las siguientes expresiones:

(1.6)

Identificándose como FRECUENCIA ANGULAR NATURAL y como

FRECUENCIA NATURAL.

De todo esto es importante destacar que, prescindiendo del efecto del

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16

amortiguamiento propio de los soportes de las máquinas, es posible aseverar que:

Todo sistema máquina - soportes está caracterizado por una frecuencia que sólo

depende de la masa y la rigidez de éste, denominada FRECUENCIA NATURAL.

Figura 1.8. Sistema máquina - soportes (masa - resorte - amortiguador).

Adicionalmente, existen otros dos parámetros en la caracterización dinámica del

sistema máquina-soportes. Si se admite que las fuerzas disipadoras de energía

son proporcionales a la velocidad de las vibraciones del sistema máquina -

soportes, entonces estos parámetros serán definidos según:

C

oeficiente de amortiguamiento kmCC 2

(1.7)

R

azón de amortiguamiento cC

C

(1.8)

El coeficiente de amortiguamiento crítico es una propiedad del sistema y

no depende del amortiguamiento del mismo, mientras que la razón de

amortiguamiento se define como el cociente entre el coeficiente de

amortiguamiento y el coeficiente de amortiguamiento crítico. Estos parámetros

constituyen elementos decisivos a tener en cuenta cuando se pretenda desarrollar

un Programa de Aislamiento y Control de las Vibraciones, tanto para maquinarias

como para estructuras.

De igual forma, es sumamente importante destacar que cuando se considera en el

análisis el posible amortiguamiento de los soportes de la máquina, entonces la

Page 22: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

17

frecuencia característica de la vibración en ausencia de fuerzas que restauren las

pérdidas energéticas será la denominada FRECUENCIA DE LAS VIBRACIONES

AMORTIGUADAS:

21 nd ff (1.9)

1.2.4Sistema máquina - soportes ante la acción de una fuerza de carácter

armónico

Durante la operación de las máquinas se presentan fuerzas excitadoras que

suministran la energía necesaria para mantener las vibraciones aun cuando exista

amortiguamiento. Estas fuerzas pueden ser consideradas de carácter armónico, o

sea:

)2()( ftFsentF (1.10)

En este caso, F es la amplitud de la fuerza y f la frecuencia de la variación en el

tiempo de la fuerza, que también puede ser analizada como un vector rotatorio.

Ahora en el sistema máquina - soportes se incluye una fuerza excitadora

generalizada, tal y como se observa en la Figura 1.9, que podrá ser producida por

la propia máquina y/o transmitida a ésta por otros agentes externos.

Si la excitación es una fuerza de carácter armónico, el sistema vibrará

también en forma armónica con la misma frecuencia que la excitación pero

desfasado en el tiempo

Particular interés reviste el hecho relacionado con él a veces inexplicable

incremento substancial de la amplitud de las vibraciones, en máquinas que

exhiben un estado técnico satisfactorio. Este fenómeno, denominado

RESONANCIA tiene lugar cuando se sintoniza alguna de las frecuencias de la

excitación con alguna frecuencia natural2. En estos casos, las vibraciones son

amplificadas en una banda de frecuencias cercana y a ambos lados de la

frecuencia natural, según se observa en las Figuras 1.10 y 1.11

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Figura 1.9. Sistema máquina - soportes bajo excitación armónica.

La resonancia tendrá lugar si la frecuencia de la fuerza excitadora está contenida

dentro de la denominada BANDA DE POTENCIA MEDIA. Esta banda se define a

3 dB por debajo del pico correspondiente a la frecuencia de resonancia. Por otro

lado, lógicamente esta FRECUENCIA DE RESONANCIA tendrá que estar

relacionada con la frecuencia natural en dependencia del amortiguamiento

presente, todo lo cual se expresa según:

221 nr ff(1.11)

La norma ISO 2041 establece que:

La RESONANCIA de un sistema bajo oscilaciones forzadas existe cuando

cualquier cambio, incluso muy pequeño, en la frecuencia de la excitación,

causa un decrecimiento en la respuesta del sistema.

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Figura 1.10. Resonancia modificada por cierta cantidad de amortiguamiento.

Figura 1.11. Resonancia modificada por poco amortiguamiento

1.2.5 Origen de las frecuencias de las vibraciones en maquinarias

Existen tres causas fundamentales que propician la presencia de vibraciones en

las máquinas rotatorias a determinadas frecuencias, estas últimas se identifican

como:

a) Frecuencias generadas

b) Frecuencias excitadas

c) Frecuencias producidas por fenómenos electrónicos

Frecuencias generadas

A veces se les identifica como frecuencias forzadas o frecuencias de diagnóstico y

son aquellas que la máquina genera realmente durante su funcionamiento

habitual.

Representativas de estas frecuencias se tienen a los desbalances, el paso de las

paletas de una turbina, la frecuencia de engranaje o el paso de los elementos

rodantes por los defectos locales de las pistas de un cojinete de rodamiento, por

citar algunas.

Frecuencias excitadas

Las frecuencias excitadas no son más que las frecuencias de resonancias de los

elementos que componen las máquinas, incluyendo las estructuras portantes los

elementos no rotatorios en general. Cuando se excitan las frecuencias de

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20

resonancia, las vibraciones son amplificadas de acuerdo con lo ilustrado en las

Figuras 1.10 y 1.11, en virtud del amortiguamiento presente.

A juicio del autor, el problema que más excita las frecuencias de resonancias

cercanas a la frecuencia de rotación de la máquina es el desbalance, que por muy

pequeño que sea, puede ser amplificado severamente si se sintoniza la frecuencia

de operación del rotor desbalanceado, con la frecuencia natural de éste en sus

apoyos o del sistema máquina soportes.

Frecuencias excitadas

Las frecuencias excitadas no son más que las frecuencias de resonancias de los

elementos que componen las máquinas, incluyendo las estructuras portantes los

elementos no rotatorios en general. Cuando se excitan las frecuencias de

resonancia, las vibraciones son amplificadas de acuerdo con lo ilustrado en las

Figuras 1.10 y 1.11, en virtud del amortiguamiento presente.

A juicio del autor, el problema que más excita las frecuencias de resonancias

cercanas a la frecuencia de rotación de la máquina es el desbalance, que por muy

pequeño que sea, puede ser amplificado severamente si se sintoniza la frecuencia

de operación del rotor desbalanceado, con la frecuencia natural de éste en sus

apoyos o del sistema máquina soportes.

Los especialistas en diagnóstico consideran que aproximadamente el 40% de los

casos de niveles de vibraciones excesivos que se encuentran en la práctica,

tienen como fuente principal al desbalance. Este tipo de problema constituye la

mejor representación de una fuerza excitadora de carácter armónico, dada a

través de la fuerza de inercia que se genera debido a la aceleración de una masa

desbalanceada md que gira respecto al eje de rotación con una velocidad angular

constante ω. Observe la Figura 1.12.

Page 26: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

21

Figura 1.12. Presencia de una masa desbalanceada en el sistema máquina -

soportes

Figura 1.13. Respuesta de un sistema máquina - soportes ante los efectos de un

desbalance rotatorio.

Es importante destacar que la masa excéntrica produce una fuerza que es a su

vez un vector rotatorio con velocidad angular ω y amplitud md . De igual

forma, es conveniente analizar el problema desde el punto de vista de las

frecuencias, cuyo comportamiento se representa en la Figura 1.13.

Observe como a frecuencia cero, lógicamente no existe amplitud del movimiento.

Sin embargo, merece especial atención el hecho de que con independencia del

amortiguamiento, la vibración estabilizará a una amplitud de desplazamiento md

r/M por lo cual es obvio que una buena condición de balanceo deberá garantizar el

menor producto . Esto será abordado más adelante cuando se trate el

problema del Grado de calidad del balanceo y el Desbalance residual. Observe

además el notable crecimiento de la amplitud de las vibraciones en la máquina,

cuando la velocidad de operación del rotor se asemeja a la frecuencia natural del

sistema máquina - soportes.

1.2.6 Influencia de las vibraciones externas

En muchas ocasiones, es de gran importancia estudiar, cuantificar y controlar las

vibraciones que llegan a la máquina debido a diferentes fuentes externas o sea,

debido a fuerzas que no son generadas durante el funcionamiento de la propia

máquina sino como consecuencia de la operación de máquinas vecinas.

En la Figura 1.14 se observa que ahora la fuerza excitadora actúa en la base «de

Page 27: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

22

masa despreciable» del sistema, por lo que se tendrá movimiento en el cuerpo de

la máquina y en su propia base. Al igual que en otros casos, este efecto se

representará en el dominio de las frecuencias, sobre la base de relacionar la

amplitud de las vibraciones en el cuerpo de la máquina respecto a la amplitud de

las vibraciones en su base.

En este caso, cuando la frecuencia de las vibraciones transmitidas por máquinas

vecinas hacia la base de la máquina afectada es mucho mayor que la frecuencia

natural del sistema máquina - soportes, entonces los propios soportes filtrarán los

niveles de vibraciones, limitando la llegada de estos al cuerpo de la máquina

(Figura 1.15). Por otra parte, en la propia Figura 1.15 se observa también que la

influencia del amortiguamiento cambia drásticamente, dependiendo de la relación

frecuencia de excitación/frecuencia natural por lo que, se deberá ser

extremadamente cuidadoso al seleccionar o diseñar calzos o soportes

antivibratorios.

Figura 1.14. Problema de vibraciones en soportes.

Figura 1.15. Relación entre la amplitud de las vibraciones en el cuerpo de la

máquina y en la base de ésta.

(Fuente: Palomino, 1996)

Page 28: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

23

1.3Método de los elementos finitos

El método de los elementos finitos (MEF en castellano o FEM en inglés) es un

método numérico general para la aproximación de soluciones de ecuaciones

diferenciales parciales muy utilizado en diversos problemas de ingeniería y física.

El MEF está pensado para ser usado en computadoras y permite resolver

ecuaciones diferenciales asociadas a un problema físico sobre geometrías

complicadas. El MEF se usa en el diseño y mejora de productos y aplicaciones

industriales, así como en la simulación de sistemas físicos y biológicos complejos.

La variedad de problemas a los que puede aplicarse ha crecido enormemente,

siendo el requisito básico que las ecuaciones constitutivas y ecuaciones de

evolución temporal del problema a considerar sean conocidas de antemano.

El MEF permite obtener una solución numérica aproximada sobre un cuerpo,

estructura o dominio (medio continuo) —sobre el que están definidas ciertas

ecuaciones diferenciales en forma débil o integral que caracterizan el

comportamiento físico del problema— dividiéndolo en un número elevado de

subdominios no-intersectantes entre sí denominados «elementos finitos». El

conjunto de elementos finitos forma una partición del dominio también

denominada discretización. Dentro de cada elemento se distinguen una serie de

puntos representativos llamados «nodos». Dos nodos son adyacentes si

pertenecen al mismo elemento finito; además, un nodo sobre la frontera de un

elemento finito puede pertenecer a varios elementos. El conjunto de nodos

considerando sus relaciones de adyacencia se llama «malla».

Los cálculos se realizan sobre una malla de puntos (llamados nodos), que sirven a

su vez de base para discretización del dominio en elementos finitos. La

generación de la malla se realiza usualmente con programas especiales llamados

generadores de mallas, en una etapa previa a los cálculos que se denomina pre-

proceso. De acuerdo con estas relaciones de adyacencia o conectividad se

relaciona el valor de un conjunto de variables incógnitas definidas en cada nodo y

Page 29: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

24

denominadas grados de libertad. El conjunto de relaciones entre el valor de una

determinada variable entre los nodos se puede escribir en forma de sistema de

ecuaciones lineales (o linealizadas). La matriz de dicho sistema de ecuaciones se

llama matriz de rigidez del sistema. El número de ecuaciones de dicho sistema es

proporcional al número de nodos.

Típicamente el análisis de los elementos finitos se programa computacionalmente

para calcular el campo de desplazamientos y, posteriormente, a través de

relaciones cinemáticas y constitutivas las deformaciones y tensiones

respectivamente, cuando se trata de un problema de mecánica de sólidos

deformables o más generalmente un problema de mecánica de medios continuos.

El método de los elementos finitos es muy usado debido a su generalidad y a la

facilidad de introducir dominios de cálculo complejos (en dos o tres dimensiones).

Además el método es fácilmente adaptable a problemas de transmisión de calor,

de mecánica de fluidos para calcular campos de velocidades y presiones

(mecánica de fluidos computacional, CFD) o de campo electromagnético. Dada la

imposibilidad práctica de encontrar la solución analítica de estos problemas, con

frecuencia en la práctica ingenieril los métodos numéricos y, en particular, los

elementos finitos, se convierten en la única alternativa práctica de cálculo.

Una importante propiedad del método es la convergencia; si se consideran

particiones de elementos finitos sucesivamente más finas, la solución numérica

calculada converge rápidamente hacia la solución exacta del sistema de

ecuaciones.

1.3.1Breve reseña histórica

El Método de Elementos Finitos (MEF) fue al principio desarrollado en 1943 por

Richard Courant, quien utilizó el método de Ritz de análisis numérico y

minimización de las variables de cálculo para obtener soluciones aproximadas a

un sistema de vibración. Poco después, un documento publicado en 1956 por M.

J. Turner, R. W. Clough, H. C. Martin, y L. J. Topp estableció una definición más

Page 30: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

25

amplia del análisis numérico.1 El documento se centró en “la rigidez y deformación

de estructuras complejas”. Con la llegada de los primeros ordenadores instaura el

cálculo matricial de estructuras. Éste parte de la discretización de la estructura en

elementos lineales tipo barra de los que se conoce su rigidez frente a los

desplazamientos de sus nodos. Se plantea entonces un sistema de ecuaciones

resultado de aplicar las ecuaciones de equilibrio a los nodos de la estructura. Este

sistema de ecuaciones se esquematiza de la siguiente manera:

(*) (1.12)

Donde las incógnitas son los desplazamientos en los nodos (vector u) que se

hallan a partir de las "fuerzas" o "solicitaciones" en los nodos (vector ) y de la

rigidez de las barras (matriz de rigidez ). Conocidos dichos desplazamientos es

posible determinar los esfuerzos en las barras. La solución obtenida es exacta. (*)

Fórmula más importante en el MEF.

1.3.2 Descripción matemática del método

El desarrollo de un algoritmo de elementos finitos para resolver un problema

definido mediante ecuaciones diferenciales y condiciones de contorno requiere en

general cuatro etapas:

1. E

l problema debe reformularse en forma variacional.

2. E

l dominio de variables independientes (usualmente un dominio espacial para

problemas dependientes del tiempo) debe dividirse mediante una partición en

subdominios, llamados elementos finitos. Asociada a la partición anterior se

construye un espacio vectorial de dimensión finita, llamado espacio de elementos

Page 31: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

26

finitos. Siendo la solución numérica aproximada obtenida por elementos finitos

una combinación lineal en dicho espacio vectorial.

3. S

e obtiene la proyección del problema variacional original sobre el espacio de

elementos finitos obtenido de la partición. Esto da lugar a un sistema con un

número de ecuaciones finito, aunque en general con un número elevado de

ecuaciones incógnitas. El número de incógnitas será igual a la dimensión del

espacio vectorial de elementos finitos obtenido y, en general, cuanto mayor sea

dicha dimensión tanto mejor será la aproximación numérica obtenida.

4. E

l último paso es el cálculo numérico de la solución del sistema de ecuaciones.

Los pasos anteriores permiten construir un problema de cálculo diferencial en un

problema de álgebra lineal. Dicho problema en general se plantea sobre un

espacio vectorial de dimensión no-finita, pero que puede resolverse

aproximadamente encontrando una proyección sobre un subespacio de dimensión

finita, y por tanto con un número finito de ecuaciones (aunque en general el

número de ecuaciones será elevado típicamente de miles o incluso centenares de

miles). La discretización en elementos finitos ayuda a construir un algoritmo de

proyección sencillo, logrando además que la solución por el método de elementos

finitos sea generalmente exacta en un conjunto finito de puntos. Estos puntos

coinciden usualmente con los vértices de los elementos finitos o puntos

destacados de los mismos. Para la resolución concreta del enorme sistema de

ecuaciones algebraicas en general pueden usarse los métodos convencionales

del álgebra lineal en espacios de dimensión finita.

En lo que sigue d es la dimensión del dominio, n el número de elementos finitos y

N el número de nodos total.

1.3.3 Formulación débil

Page 32: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

27

La formulación débil de una ecuación diferencial permite convertir un problema de

cálculo diferencial formulado en término de ecuaciones diferenciales en términos

de un problema de álgebra lineal planteado sobre un espacio de Banach,

generalmente de dimensión no finita, pero que puede ser aproximado por un

sistema finito de ecuaciones algebraicas.

Dada una ecuación diferencial lineal de la forma:

(1.13)

Donde la solución es una cierta función definida sobre un dominio d-dimensional

, y se han especificado un conjunto de condiciones de contorno

adecuadas, puede suponerse que la función buscada es un elemento de un

espacio de funciones o espacio de BanachV y que la ecuación (1.13) es

equivalente a:

(1.14)

Donde V' es el espacio dual de V, la forma variacional débil se obtiene buscando

la única solución tal que:

(1.15)

Cuando el operador lineal es un operador elíptico, el problema se puede plantear

como un problema de minimización sobre el espacio de Banach.

1.3.4 Discretización del dominio

Page 33: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

28

Dado un dominio con una frontera continua en el sentido de Lipschitz

una partición en n "elementos finitos", es una colección de n subdominios

que satisface:

1.

2. C

ada es un conjunto compacto con una frontera Lipschitz-continua.

3.

Usualmente por conveniencia práctica y sencillez de análisis, todos los "elementos

finitos" tienen la misma "forma", es decir, existe un dominio de referencia y

una colección de funciones biyectivas:

Este dominio de referencia se suele llamar frecuentemente también dominio

isoparamétrico. En los análisis 2D (d = 2) el dominio de referencia se suele

tomar como un triángulo equilátero o un cuadrado, mientras que en los análisis 3D

(d = 3), el dominio de referencia típicamente es un tetraedro o un hexaedro.

Además sobre cada elemento se considerarán algunos puntos especiales,

llamados nodos y que generalmente incluirán los vértices del elemento finito y se

requerirá la condición adicional de que dos elementos adyacentes compartan los

nodos sobre el subconjunto , es decir:

Una vez definida la partición en elementos finitos, se define sobre cada elemento

un espacio funcional de dimensión finito, usualmente formado por polinomios.

Este espacio funcional servirá para aproximar localmente la solución del problema

variacional. El problema variacional en su forma débil se plantea sobre un espacio

Page 34: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

29

de dimensión no-finita, y por tanto la función buscada será una función de dicho

espacio. El problema en esa forma exacta es computacionalmente inabordable,

así que en la práctica se considerará un subespacio de dimensión finita del

espacio vectorial original . Y en lugar de la solución exacta de (2b) se calcula la

proyección de la solución original sobre dicho subespacio vectorial de dimensión

finita, es decir, se resolverá numéricamente el siguiente problema:

(1.16)

Donde:

, es la solución aproximada.

, es el proyector ortogonal del espacio original sobre

el subespacio vectorial asociado a la discretización.

Si la discretización es suficientemente fina y el espacio funcional finito sobre cada

elemento está bien escogido, la solución numérica obtenida aproximará

razonablemente bien la solución original. Eso implicará en general considerar un

número muy elevado de elementos finitos y por tanto un subespacio de

proyección de dimensión elevada. El error entre la solución exacta y la solución

aproximada puede acotarse gracias al lema de Ceá, que en esencia afirma que la

solución exacta y la solución aproximada satisfacen:

(1.17)

Es decir, el error dependerá ante todo de lo bien que el subespacio vectorial

asociado a la discretización en elementos finitos aproxime el espacio vectorial

original .

1.3.5 Funciones de forma y espacio de la solución

Page 35: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

30

Existen muchas formas de elegir un conjunto de funciones que formen una base

vectorial sobre la que aproximar la solución exacta del problema. Desde un punto

de vista práctico resulta útil definir un espacio vectorial de dimensión finita

definido sobre el dominio de referencia formado por todos los polinomios de

grado igual o inferior a cierto grado:

Entonces mediante las aplicaciones que aplican el dominio de referencia a cada

elemento finito se define el espacio vectorial que servirá para aproximar la

solución como:

(1.18)

Cuando es una función lineal y el espacio está formado por polinomios

entonces la restricción de es también un polinomio. El espacio vectorial

es un espacio polinómico en que la base de dicho espacio está formada por

funciones de forma , que dado el conjunto de nodos del dominio de referencia

se definen como:

Esto permite definir de manera unívoca unas funciones de forma sobre el dominio

real sobre el que se define el problema:

Estas funciones se pueden extender a todo el dominio, gracias a que el conjunto

de subdominios o elementos finitos constituye una partición de todo el dominio:

Page 36: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

31

Las funciones de forma permiten proyectar sobre el espacio de elementos finitos

cualquier función definida sobre el dominio original mediante el proyector :

(1.19)

1.3.6 Resolución de las ecuaciones

Fijada una base asociada a una determinada discretización del dominio, como por

ejemplo la dada por las funciones la forma débil del problema, (cuando la

función es bilineal) puede escribirse como una ecuación matricial simple:

(1.20)

Donde N es el número de nodos. Agrupando los términos y teniendo en cuenta

que v^h es arbitrario y que por tanto la ecuación anterior debe cumplirse para

cualquier valor de dicho vector arbitrario se tiene que:

(1.21)

Este es la forma común del sistema de ecuaciones de un problema de elementos

asociado a una ecuación diferencial lineal, no dependiente del tiempo. Esta última

forma es precisamente la forma (*) de la reseña histórica. Para resolver

numéricamente el sistema de ecuaciones (*), que usualmente consta de miles o

incluso centenares de miles de ecuaciones se requieren algoritmos eficientes que

optimicen el número de operaciones que debe realizarse y ahorren memoria.

Page 37: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

32

En general las complicaciones computacionales que deben resolverse en la

resolución numérica son:

1. E

l cálculo de la matriz de coeficientes , esto generalmente requiere

integración numérica aproximada lo cual es una nueva fuente de errores en el

cálculo por el MEF.

2. E

l uso de un método eficiente para resolver el sistema de ecuaciones obtenido. Por

ejemplo el método de Cramer es totalmente impracticable para , un

ordenador de unos 10 GFlops tardaría más de 2 años en resolver el sistema por

dicho método, mientras que si se usa el método de eliminación gaussiana tardaría

menos de una diez milésima de segundo.

Para entender la necesidad de la integración numérica necesitamos ver qué forma

tiene típicamente la forma débil del problema, expresada en términos de los

subdominios o elementos finitos. Esa forma débil involucra integrales de la forma:

(1.22)

Donde:

son el domino sobre el que se plantea el problema.

, representan a cada uno de los elementos finitos y al dominio

isoparamétrico que da la forma de los elementos finitos.

, representan la función que debe integrarse y su

expresión sobre el dominio isoparamétrico.

, la aplicación que relaciona el dominio isoparamétrico con cada

elemento finito.

Page 38: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

33

, son los pesos y los puntos de integración usados para integración

gaussiana.

, son el número total de elementos y el número de puntos de integración

por elemento.

1.3.7 Aproximación del error

De acuerdo con el lema de Ceá (LC) el error cometido en la aproximación de una

solución exacta mediante elementos finitos viene acotada por el error de

aproximación, es decir, la solución obtenida mediante el MEF es, tanto más buena

cuanto mejor sea la aproximación . A continuación acotamos este error de

aproximación que acotará el error de la solución de elementos finitos.

Para ello necesitamos definir el diámetro de cada subdominio o elemento finito:

h es un medida de la finura de la discretización es el máximo de los anteriores

valores. Puede comprobarse que el error de aproximación (y por tanto el error de

la solución mediante elementos finitos) viene acotada por:

(1.23)

Donde:

, son respectivamente la solución exacta y la solución obtenida mediante

elementos finitos.

, es un número real que depende de la forma del dominio, entre otros factores.

, es el k+1-ésimo espacio de Sobolev de funciones sobre el dominio

.

, es la seminorma dada por:

Page 39: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

34

(1.24)

Siendo un multíndice y la derivada parcial de u asociada al mismo. La

norma del espacio L2(Ω).

1.3.8 ¿Cómo trabaja el MEF en la práctica?

El MEF es un método numérico de resolución de ecuaciones diferenciales. La

solución obtenida por MEF es sólo aproximada, coincidiendo con la solución

exacta sólo en un número finito de puntos llamados nodos. En el resto de puntos

que no son nodos, la solución aproximada se obtiene interpolando a partir de los

resultados obtenidos para los nodos, lo cual hace que la solución sea sólo

aproximada debido a ese último paso.

El MEF convierte un problema definido en términos de ecuaciones diferenciales

en un problema en forma matricial que proporciona el resultado correcto para un

número de finito de puntos e interpola posteriormente la solución al resto del

dominio, resultando finalmente sólo una solución aproximada. El conjunto de

puntos donde la solución es exacta se denomina conjunto nodos. Dicho conjunto

de nodos forma una red, denominada malla formada por retículos. Cada uno de

los retículos contenidos en dicha malla es un "elemento finito". El conjunto de

nodos se obtiene dividiendo o discretizando la estructura en elementos de forma

variada (pueden ser superficies, volúmenes y barras).

Desde el punto de vista de la programación algorítmica modular las tareas

necesarias para llevar a cabo un cálculo mediante un programa MEF se dividen

en:

P

reproceso, que consiste en la definición de geometría, generación de la malla, las

condiciones de contorno y asignación de propiedades a los materiales y otras

propiedades. En ocasiones existen operaciones cosméticas de regularización de

Page 40: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

35

la malla y precondicionamiento para garantizar una mejor aproximación o una

mejor convergencia del cálculo.

C

álculo, el resultado del preproceso, en un problema simple no-dependiente del

tiempo, permite generar un conjunto de N ecuaciones y N incógnitas, que puede

ser resuelto con cualquier algoritmo para la resolución de sistemas de ecuaciones

lineales. Cuando el problema a tratar es un problema no-lineal o un problema

dependiente del tiempo a veces el cálculo consiste en una sucesión finita de

sistemas de N ecuaciones y N incógnitas que deben resolverse uno a

continuación de otro, y cuya entrada depende del resultado del paso anterior.

P

ostproceso, el cálculo proporciona valores de cierto conjunto de funciones en los

nodos de la malla que define la discretización, en el postproceso se calculan

magnitudes derivadas de los valores obtenidos para los nodos, y en ocasiones se

aplican operaciones de suavizado, interpolación e incluso determinación de

errores de aproximación.

Preproceso y generación de la malla

La malla se genera y ésta en general consta de miles (e incluso centenares de

miles) de puntos. La información sobre las propiedades del material y otras

características del problema se almacena junto con la información que describe la

malla. Por otro lado las fuerzas, los flujos térmicos o las temperaturas se

reasignan a los puntos de la malla. A los nodos de la malla se les asigna una

densidad por todo el material dependiendo del nivel de la tensión mecánica u otra

propiedad. Las regiones que recibirán gran cantidad de tensión tienen

normalmente una mayor densidad de nodos (densidad de malla) que aquellos que

experimentan poco o ninguno. Puntos de interés consisten en: puntos de fractura

previamente probados del material, entrantes, esquinas, detalles complejos, y

áreas de elevada tensión. La malla actúa como la red de una araña en la que

desde cada nodo se extiende un elemento de malla a cada nodo adyacente. Este

Page 41: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

36

tipo de red vectorial es la que lleva las propiedades del material al objeto, creando

varios elementos.

Las tareas asignadas al preproceso son:

1. E

l continuo se divide, mediante líneas o superficies imaginarias en un número de

elementos finitos. Esta parte del proceso se desarrolla habitualmente mediante

algoritmos incorporados a programas informáticos de mallado durante la etapa de

preproceso.

2. S

e supone que los elementos están conectados entre sí mediante un número

discreto de puntos o “nodos”, situados en sus contornos. Los desplazamientos de

estos nodos serán las incógnitas fundamentales del problema, tal y como ocurre

en el análisis simple de estructuras por el método matricial.

3. S

e toma un conjunto de funciones que definan de manera única el campo de

desplazamientos dentro de cada “elemento finito” en función de los

desplazamientos nodales de dicho elemento. Por ejemplo el campo de

desplazamientos dentro de un elemento lineal de dos nodos podría venir definido

por: u = N1 u1 + N2 u2, siendo N1 y N2 las funciones comentadas (funciones de

forma) y u1 y u2 los desplazamientos en el nodo 1 y en el nodo 2.

4. E

stas funciones de desplazamientos definirán entonces de manera única el estado

de deformación del elemento en función de los desplazamientos nodales. Estas

deformaciones, junto con las propiedades constitutivas del material, definirán a su

vez el estado de tensiones en todo el elemento, y por consiguiente en sus

contornos.

5. S

e determina un sistema de fuerzas concentradas en los nodos, tal que equilibre

las tensiones en el contorno y cualesquiera cargas repartidas, resultando así una

Page 42: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

37

relación entre fuerzas y desplazamientos de la forma F=k.u, que como vemos es

similar a la del cálculo matricial.

1.3.9 Tipos de análisis ingenieriles

El programador puede insertar numerosos algoritmos o funciones que pueden

hacer al sistema comportarse de manera lineal o no lineal. Los sistemas lineales

son menos complejos y normalmente no tienen en cuenta deformaciones

plásticas. Los sistemas no lineales toman en cuenta las deformaciones plásticas,

y algunos incluso son capaces de verificar si se presentaría fractura en el material.

Algunos tipos de análisis ingenieriles comunes que usan el método de los

elementos finitos son:

A

nálisis estático se emplea cuando la estructura está sometida a acciones

estáticas, es decir, no dependientes del tiempo.

A

nálisis vibracional es usado para analizar la estructura sometido a vibraciones

aleatorias, choques e impactos. Cada uno de estas acciones puede actuar en la

frecuencia natural de la estructura y causar resonancia y el consecuente fallo.

A

nálisis de fatiga ayuda a los diseñadores a predecir la vida del material o de la

estructura, prediciendo el efecto de los ciclos de carga sobre el especimen. Este

análisis puede mostrar las áreas donde es más probable que se presente una

grieta. El análisis por fatiga puede también predecir la tolerancia al fallo del

material.

Los modelos de análisis de transferencia de calor por conductividad o por

dinámicas térmicas de flujo del material o la estructura. El estado continuo de

transferencia se refiere a las propiedades térmicas en el material que tiene una

difusión lineal de calor.

Page 43: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

38

1.3.10 Resultados del MEF

El MEF se ha vuelto una solución para la tarea de predecir las frecuencias

propias, los modos de vibración y el grado de amortiguación debidos al diseño,

operación y mantenimiento de equipos mostrando los problemas existentes en la

respuesta estructural del conjunto, teniendo en cuenta las características del

material y permitiendo a los diseñadores ver el comportamiento rotodinámico del

ensamble. Este método de diseño y prueba del producto es mejor al ensayo y

error en donde hay que mantener costos de manufactura asociados a la

construcción de cada ejemplar para las pruebas.

Las grandes ventajas del cálculo por ordenador se pueden resumir en:

H

ace posible el cálculo de estructuras que, bien por el gran número de operaciones

que su resolución presenta una gran complejidad o por lo tedioso de las mismas,

las cuales eran, en la práctica, inabordables mediante el cálculo manual.

E

n la mayoría de los casos reduce a límites despreciables el riesgo de errores

operativos.

Page 44: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

39

CAPÍTULO II: Análisis modal en sistemas rotatorios.

Este capítulo tiene como objetivo demostrar el comportamiento de las frecuencias

naturales, los modos de vibración y el grado de amortiguación, así como, la

influencia de su configuración en la respuesta estructural del conjunto utilizando el

software SolidWorks Simulation. Se pretende probar que cambiando las

posiciones de las piezas de un ensamble se transforma su respuesta estructural,

es decir, que varían sus modos de vibración e incluso sus frecuencias naturales

principales.

2.1 Principios básicos para el análisis de frecuencias

En las máquinas rotativas pueden aparecer vibraciones laterales y vibraciones

torsionales. Se conoce que las vibraciones laterales afectan de forma más

significativa a las máquinas rotativas. Las vibraciones laterales pueden ser

causadas por diferentes razones, fuerzas desequilibradoras, frecuencias

perturbadoras, regímenes transitorios y otras excitaciones que actúan sobre los

elementos que rotan.

Para estudiar el comportamiento rotodinámico el primer paso es obtener un

modelo matemático que considere la configuración geométrica y los valores de los

distintos coeficientes dinámicos que simulen los enlaces del elemento rotor con

las otras partes del sistema. La complejidad del modelo elaborado dependerá de

las principales incógnitas que se quieran investigar y de qué nivel de aproximación

se quiere obtener a la máquina real. Los elementos rotores de las máquinas

tienen frecuencias naturales que pueden ser excitadas por diversos factores:

desequilibrios, fricción seca, pulsaciones de presión y otras causas. El principal

interés al estudiar el comportamiento dinámico radica en conocer, bajo qué

condiciones el sistema estudiado, puede entrar en resonancia y alterar su

comportamiento. El conocimiento de las frecuencias propias, las formas de

manifestarse los diferentes modos y sus grados de amortiguamiento, posibilitan

poder predecir como responderán las distintas zonas de los elementos motrices,

ante las posibles alteraciones de funcionamiento.

Page 45: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

40

Un rotor soportado por cojinetes de película de aceite puede ser considerado

teóricamente como un sistema masa, resorte y amortiguador. Cuando la

frecuencia de la fuerza excitadora, coincide con la primera de frecuencias

naturales aparece la denominada velocidad crítica. Desde este punto de vista, las

máquinas se clasifican como de eje rígido, cuando la primera frecuencia crítica

lateral del eje (primera velocidad crítica) es mayor que la frecuencia producida por

la rotación del eje y de eje flexible cuando la velocidad crítica está por debajo de la

velocidad de rotación. Un objetivo importante del estudio rotodinámico es, por

tanto, identificar las frecuencias de resonancia de la parte o conjunto giratorio de

la máquina, que genéricamente se denominará rotor.

Cada rotor está soportado por cojinetes, y estos, por pedestales, bancada y

fundaciones. La rigidez efectiva que influye sobre la dinámica del rotor es la suma

inversa de todas estas rigideces, representados matemáticamente por enlaces

elásticos o simplemente resortes. Existen notables diferencias en el

comportamiento rotodinámico de máquinas de eje horizontal y de eje vertical,

debido a las distintas fuerzas que han de soportar los cojinetes, según la

orientación de la máquina. En las máquinas de eje horizontal los cojinetes axiales

soportan toda la carga estática y los cojinetes radiales son afectados por las

fuerzas de desequilibrio generadas por la rotación.

2.1.1 Modelo rotatorio simple en máquinas de eje horizontal

Un modelo básico en rotodinámica es un rotor simple, y para describir su

movimiento y las relaciones dinámicas se utilizan determinadas restricciones Si se

considera un eje de masa mucho menor que la masa de funcionamiento, se

suponen los soportes rígidos y la masa de funcionamiento está desequilibrada, de

tal manera que el centro de rotación W no coincida con el centro de gravedad S

se puede aproximar una formulación inicial para explicar el comportamiento

rotodinámico. Fig.2.1

Page 46: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

41

Fig. 2.1. Fuerzas que actúan durante el funcionamiento de las máquinas

rotatorias.

El movimiento puramente radial de un modelo de rotor simple se puede describir

con las coordenadas; X2 y Y2 para X1 y Y1, para el centro W, con un ángulo

para la torsión.

sen

cos

12

12

eYY

eXX

(2.1)

Derivando respecto al tiempo,

sen

cos

·

1

·

2

·

·

1

·

2

·

eYY

eXX

(2.2)

Si se deriva nuevamente,

m

K

Page 47: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

42

cossen

sencos

..2..

1

..

2

..

..2....

12

..

eYY

eXX

(2.3)

Se puede observar como la aceleración del centro de gravedad es igual a la

aceleración del centro de rotación, más un término afectado por la derivada de

al cuadrado, que pertenece a la aceleración centrífuga, y otro que considera la

segunda derivada de que pertenece a la aceleración tangencial.

Haciendo servir estas relaciones cinemáticas, se pueden deducir las ecuaciones

de movimiento para el centro de gravedad de la masa giratoria, basada en las

condiciones de equilibrio de las fuerzas restauradoras, de las fuerzas de inercia, y

de los momentos externos M. en los rodamientos se generan componentes

elásticas y de amortiguación en los planos horizontal y vertical Fig. 2.2.

MXYKM

KYYm

KXXm

p

y

x

F

F

)sencos(0

00

00

..

..

..

(2.4)

Las ecuaciones del movimiento [2.4] se pueden simplificar asumiendo que:

(a) El rotor trabaja en equilibrio dinámico. Por tanto, el momento externo es nulo

(M=0).

(b) El radio polar de inercia ip2=p/mes mucho mayor, al compararlo con la

excentricidad e y los desplazamientos X1 y Y1; entonces, la aceleración tangencial

vale 0.

tconstante...

0 (2.5)

Finalmente, estas ecuaciones quedarán de la siguiente forma,

tsinmeKYYm

tmeKXXm

2..

2..

cos

(2.6)

Page 48: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

43

Dondees la frecuencia de rotación y el ángulo de fase.

Las soluciones de las ecuaciones [2.6] están formadas de una parte homogénea y

de otra no homogénea.

part

part

YYY

XXX

hom

hom

(2.7)

La parte homogénea describe las vibraciones libres del árbol, mientras que la

parte no homogénea es referida a las vibraciones forzadas por el desequilibrio.

Para resolver las vibraciones libres, el término de la derecha de la ecuación [2.6]

se anula:

0KXmX (2.8)

La solución tiene la forma,

m

k

y

tsenBtAX

n

ii

coshom

donde es la frecuencia propia del rotor y Ai y Bi han de ser calculadas haciendo

servir las condiciones iniciales. La solución no homogénea de las ecuaciones [2.6]

se puede obtener mediante:

tYY

tXX

part

part

sen

cos

^

^

(2.9)

y conociendo los valores,

mK

meYX partpart

2

2

(2.10)

la solución completa se escribe como:

Page 49: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

44

)sen(sencos

)cos(sencos

22

2

22

22

2

11

tetBtAY

tetBtAX

i

i

(2.11)

Donde A1, A2, B1 y B2 se pueden calcular a partir de les condiciones iniciales. La

figura 2.3 muestra las amplitudes de les vibraciones contra la velocidad de

rotación. La distancia entre las dos curvas es siempre igual a la excentricidad e.

Cuando la velocidad de rotación es igual a la frecuencia propia =, la amplitud

de la vibración tiende al infinito y si la velocidad de rotación es menor que la

velocidad crítica, el centro de gravedad gira por la parte exterior del centro de

rotación, mientras que, si la velocidad de rotación es mayor que la velocidad

crítica, el centro de gravedad gira por la parte interior del centro de rotación.

En el caso que se supongan los apoyos rígidos, el término i seria nulo, pero en

realidad, en una máquina rotatoria, siempre existe una flexibilidad en los cojinetes

y en sus soportes. Debido al diseño de los apoyos, normalmente estos tienen

rigideces diferentes en dos direcciones. Las ecuaciones del movimiento del

modelo de rotor simple en soportes rígidos han de ser modificado teniendo en

cuenta los coeficientes de rigidez de los cojinetes. Esta rigidez adicional de los

cojinetes actúa como un resorte en serie. [2.12]

KK

KKK

Li

Lii

2

2

(2.12)

m

Ky

m

Kcon i

i (2.13)

Page 50: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

45

Fig.2.2 Esquema de funcionamiento en soportes flexibles.

Los demás parámetros de la ecuación 2.6 permanecen invariables. Debido a que

los parámetros de rigidez actúan en direcciones diferentes, existen dos

frecuencias propias en las soluciones homogéneas. Las soluciones de la parte no

homogénea se diferencian en amplitud, comparadas con la del caso rígido. Así,

1 2 3 4

1

Existe una

componente de

amortiguamiento

y una de rigidez en

los ejes X e Y, en

cada uno de los

rodamientos.

Rodamiento

s 2

Rodamientos 2

Rodamientos 1

Disco

Árbol

Sentido antihorario (FORWARD WHIRL) )

Sentido antihorario (FORWARD WHIRL)

Sentido horario (BACKWARD WHIRL)

Ω/ω

Page 51: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

46

aparecen también dos resonancias diferentes para ambas direcciones.

Fig.2.3 Amplitud de la vibración para el modelo en soportes flexibles.

Estas velocidades críticas son más bajas, que en el caso de los soportes rígidos,

a causa de la flexibilidad adicional de los cojinetes, como muestra la figura 2.3.

Las órbitas, en general, tienen una forma elíptica que evoluciona a líneas rectas

en las resonancias, o a una forma circular entre las críticas o a velocidades

elevadas.

Como se puede observar en las soluciones particulares, el sentido de la órbita de

vibración cambia entre las resonancias. Por debajo de la primera y por sobre de la

segunda velocidad crítica, el sentido de la órbita es el mismo que el sentido de

rotación del eje; FORWARD WHIRL, y entre les velocidades críticas pasa lo

contrario, BACKWARD WHIRL.

En una máquina real siempre existen fuerzas de amortiguamiento proveniente del

material en sí (amortiguamiento interno) y del contacto con el medio,

fundamentalmente a través de los cojinetes. Este amortiguamiento externo, de

forma general, tiene un efecto positivo en el comportamiento dinámico de una

máquina, ya que disminuye las amplitudes de la vibración en las resonancias. El

amortiguamiento interno puede desestabilizar el sistema si funciona por encima

de la velocidad crítica.

Un modelo simple para el amortiguamiento puede explicar cómo las fuerzas de

amortiguamiento son proporcionales a las velocidades de les masas del rotor.

Las ecuaciones del movimiento del modelo, teniendo en cuenta el

amortiguamiento:

tmekYYcYm

tmekXXcXm

sen

cos

...

...

(2.14)

Page 52: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

47

Ahora, la parte homogénea de las soluciones es diferente, debido a los

coeficientes de amortiguamiento. Haciendo servir una relación exponencial, se

obtiene la siguiente ecuación característica:

2,1

02

ipara

kcm ii

(2.15)

Los valores propios son las complejas conjugadas,

m

ky

m

c

donde

i

2

22

2

,

(2.16)

Por tanto, las soluciones tendrán una forma:

tsenBtAieX i

t 2222

hom cos

(2.17)

Cuando el tiempo t crece, los desplazamientos tienden a 0, a causa de la parte

real del valor propio , que es proporcional al coeficiente de amortiguamiento c.

Para la solución no homogénea se puede trabajar con una anotación compleja,

para la excitación que desequilibra al sistema. El término de la parte derecha de

las ecuaciones se puede representar como la parte real de una función compleja y

su solución tendrá la forma:

m

dD

m

K

Darctg

D

eYX

donde

tsenYY

tXX

part

part

2

1

2

21

:

)(

)cos(

2

222

2

(2.18)

Page 53: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

48

1

2

1 2

X/e^ C=0

C=0,25

C=0,5

90º

180º

1 2

C=0

C=0,25

C=0,5

Fig. 2.4. Variaciones de la amplitud para distintos valores de amortiguamiento.

La figura 2.4 muestra los valores de amplitud para diferentes valores de

amortiguamiento. Para amortiguamientos elevados, las amplitudes de las

resonancias disminuyen considerablemente.

Las vibraciones transitorias son causadas por perturbaciones aleatorias, que no

son armónicas de las frecuencias de funcionamiento. Estas pueden ser debidas a

la interacción de la máquina con el medio de trabajo, a aceleraciones

provenientes de otras máquinas, a regímenes a cargas parciales, puesto en

marchas y parado y a otros factores.

Para las vibraciones causadas por fuerzas arbitrarias es conveniente introducir las

vibraciones forzadas. La señal de la fuerza f(t) tiene la forma:

t

tdxxflim

0

0)(

(2.19)

De tal forma que el término derecho de la ecuación del movimiento de un sistema

de un grado de libertad es 0 para t>0 y por tanto, la solución consiste, nada más,

en la parte homogénea

Page 54: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

49

mm

dttftX

y

tX

t1)(

)0(

0)0(

0

.

(2.20)

La solución será, una función impulso-respuesta,

t

m

tX DeD

tc 2

21sen

1

1)(

(2.21)

donde,

m

cD

m

k

2

De esta manera, una fuerza arbitraria f(t) puede ser considerada como una suma

de pequeños momentos en diferentes intervalos de tiempos. Por esto, es posible

escribir una integral para la vibración forzada causada por una excitación

cualquiera.

')'(1sen)(1

1)( 2

0

)'('

2dtttDtf

DmtX

tttc

e

(2.22)

Es importante señalar que en las máquinas rotativas, desde el punto de vista

práctico siempre está presente un valor de excentricidad e, lo que provoca la

aparición de fuerzas desequilibradoras. Este fenómeno está presente incluso en

máquinas nuevas y con el tiempo de funcionamiento puede alcanzar valores no

permisibles. En las máquinas de eje horizontal la excentricidad siempre está

afectada por el peso del sistema en rotación y se puede estimar con adecuada

precisión las magnitudes de las fuerzas desequilibradoras.

Otro aspecto de interés es el hecho que la amplitud de las vibraciones generadas

durante la rotación, estén influenciadas, además de la excentricidad, por la rigidez

Page 55: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

50

resultante del sistema, que está conformada por la rigidez del eje y de los

soportes.

La necesidad de establecer una posible relación entre el estado técnico de los

equipos, como la pieza del soporte de mayor interés, desde el punto de vista del

mantenimiento y la respuesta estructural de los equipos, inducen la realización de

una investigación teórica, que aporte nuevas informaciones para un diagnóstico

más preciso.

2.2 Métodos para solución rotodinámica

Para iniciar el estudio del comportamiento rotodinámico de los principales

sistemas rotatorios es necesario elaborar un modelo de la máquina real, donde

se tengan en cuenta los distintos factores que definen la respuesta estructural del

sistema estudiado. En la medida en que se incluyen más variables en el modelo,

para lograr una descripción más precisa, el grado de complejidad del

procesamiento aumenta notablemente.

Se han usado varios métodos para la solución de la ecuación fundamental del

movimiento en los principales sistemas rotatorios . Han demostrado su efectividad

el Método de Elementos Finitos y el MBS (Multi Body Sistem). En ambos casos se

consigue una discretización de la estructura analizada y las ecuaciones son

resueltas por métodos numéricos, obteniendo una solución global por la

integración de las múltiples soluciones de cada parte o elemento en que se ha

divido la máquina.

La solución de la ecuación,

)(...

tfxKxCxM

(2.23)

por Elementos Finitos, generalmente se efectúa teniendo en cuenta las

características geométricas y dimensionales del sistema Alternador-Eje-Turbina

que son incluidas en la matriz de masa [M], las propiedades elásticas del sistema

Page 56: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

51

y de los cojinetes se incluyen en la matriz de rigidez [K] y las características de

amortiguación son tenidas en cuenta en la matriz [C]. Generalmente la matriz [C]

es presentada como [C + G], pues se incluye también el efecto giroscópico G.

La elaboración práctica del modelo por FEM permite realizar una correcta

aproximación de varios de los valores de entrada para el cálculo, como las masas

y las dimensiones geométricas fundamentales, dadas por los momentos de

inercia, áreas de secciones y longitudes. Puede simularse con adecuada precisión

la masa añadida por el agua durante el funcionamiento y el efecto giroscópico al

depender del momento polar de inercia.

Los valores de la matriz de rigidez [K] se calculan teóricamente o se determinan

de forma experimental. Sin embargo estos valores pueden ser afectados durante

el funcionamiento de la máquina y la matriz [K] podría modificarse por la holgura

del eje y el cojinete por los cambios de viscosidad del aceite, debido a las

variaciones de temperatura. Aunque la rigidez del eje permanece invariable, la

matriz [K] se conforma también con la rigidez que aportan los soportes y los

cojinetes y este aspecto debe tenido en cuenta

En varias soluciones del problema rotodinámico se introducen restricciones para

simplificar los cálculos. En muchos modelos se supone que la rigidez de los

soportes no afectan el comportamiento dinámico y que la rigidez de la película de

aceite es mucho mayor que la rigidez del soporte y la fundación. También en otras

aproximaciones el eje y la turbina son considerados cuerpos rígidos, para facilitar

la solución global, pero ambos tienen un comportamiento dinámico propio, que no

deben ser obviados, sobre todo en tareas de perfeccionamiento de diseño.

El software (SolidWorks Simulation) utilizado, utiliza la ecuación (2.23) y conforma

las diferentes matrices, teniendo en cuenta las características geométricas de la

máquina y los valores de los coeficientes dinámicos que definen las propiedades

de los cojinetes. La preparación de los datos de entrada para el cálculo es un

momento que requiere especial atención. Es necesario conocer la geometría del

eje, posición y propiedades inerciales de los elementos de masa que serán

modelados, como turbina, alternador y acoplamientos, las propiedades de los

Page 57: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

52

materiales, velocidad de funcionamiento y características dinámicas y ubicación

de los cojinetes. Los resultados que se obtienen, frecuencias naturales,

parámetros de estabilidad y radio de amortiguamiento, modos propios, y

reacciones en los apoyos y tensiones, es la consecuencia de un cálculo estático y

dinámico de resistencia, combinado con el método.

Como se ha explicado anteriormente el objetivo de la simulación se centrará en la

determinación de los parámetros modales. Un aspecto de gran interés de la

investigación es poder determinar el rango de variación de las propiedades físico-

geométricas de los modelos de estudio y la posible influencia de estas variaciones

en el comportamiento modal de estas máquinas.

Es importante tener en cuenta que el software SolidWorks Simulation es un

programa que trabaja con la ecuación [2.23] que necesita ser manipulado por una

persona que tenga conocimiento del tema, pues, hay que conocer los principios

básicos del método de elementos finitos para saber qué soluciones estamos

obteniendo y qué error pude haber con respecto a la realidad. Debemos conocer

que para obtener buenos resultados tenemos que simular con detalles la

geometría que el objeto de estudio y determinar las propiedades físicas de cada

físicas de los elementos, de lo contrario estaríamos obteniendo resultados que no

son reales.

Pasos para el proceso de cálculo

1. Primero es necesario crear las piezas que se van a estudiar con detalle,

utilizando las herramientas que nos provee el programa, así como las

propiedades físicas del material.

2. Si el objeto de estudio es un ensamble, determinar las relaciones de

posición de cada elemento con respecto a los otros, hasta determinar la

ubicación exacta de cada punto según el sistema de referencia.

3. Luego cargar el módulo Simulation para realizar el estudio.

4. Ubicar las cargas y las restricciones en los lugares específicos.

Page 58: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

53

5. Mallar los elementos a calcular y delimitar la precisión que se desea, es

decir, definir el tamaño de los elementos finitos.

6. Determinar en las propiedades del estudio cuantas frecuencias propias y

modos de vibración queremos obtener, para el análisis de frecuencia.

7. Ejecutar el estudio

8. Interpretar los resultados.

2.3 Comportamiento rotodinámico según las variaciones de las

características físico-geométricas de sistemas rotatorios.

Los sistemas rotatorios son sistemas muy complejos, capaz de cambiar sus

características de funcionamiento por las variaciones de cualquiera de sus

características físico-geométricas. Todas las máquinas trabajan a una frecuencia

determinada, ya sea por encima de sus valores de frecuencias propias o por

debajo, la frecuencia natural es una característica de cada pieza, ya que esta

posee una masa y una rigidez, pero en el mantenimiento a los equipos se toman

iniciativas de sustituir elementos, producto a roturas o deterioro de las mismas

pero cuyos elementos no tienen las mismas propiedades físicas y es cuando, al

poner de nuevo a funcionar el equipo empiezan a surgir ruidos que van

aumentando, hasta que llega el momento que la máquina puede colapsar. En otro

de los casos se tiene un equipo que se rompió una pieza por un desgaste

excesivo y se procede a recuperarla pero resulta que hay que cambiar sus

dimensiones y todo bien, cuando se pone en funcionamiento el equipo y resulta

que sucede igual que el caso anterior. Otra ocasión se decide darle

mantenimiento a un equipo que le toca el mantenimiento preventivo planificado

(MPP) y la máquina estaba funcionando bien, después de terminado el trabajo el

equipo se pone a trabajar y sucede que comienza a ocurrir lo mismo, se había

cambiado de posición una pieza.

Posteriormente se dará una explicación de por qué estos problemas. Las

vibraciones en una máquina generan ruidos y son un elemento fundamental en el

estudio de la salud del equipo, pues, los defectos fundamentales de una máquina

Page 59: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

54

traen como resultado un aumento de las vibraciones del sistema. En vibraciones

siempre hay que tomar en consideración las frecuencias naturales, pues, cuando

se igualan la frecuencia de funcionamiento a la frecuencia natural ocurre algo

llamado RESONANCIA, al ocurrir este fenómeno el sistema oscila con máxima

amplitud, y aunque pueda soportar las cargas a la que está sometido puede fallar,

por un fenómeno que se llama FATIGA, como curiosidad, es importante saber que

el 90% de los elementos de máquina fallan por fatiga.

2.3.1 Demostración de la influencia de la variación de la posición de los

elementos en la respuesta estructural del conjunto

Como se puede observar en la figura 2.5 se tiene un modelo de un conjunto

elaborado en el software SolidWorks el que constituye un modelo característico de

una máquina rotatoria, que tiene una masa que está sobre un árbol y apoyada en

rodamientos que a su vez están en pedestales. Esta será la maqueta de pruebas,

mediante ella se demostrará la importancia del conocimiento de las principales

frecuencias propias que después estarán ligadas al análisis e interpretación de

señales vibratorias y nos permitirá diseñar sistemas que sean menos propensos a

fallar porque hallan alcanzado la resonancia.

Figura 2.5 Modelo de máquina rotatoria general

Rodamiento 1

Disco

Rodamiento 2

Árbol

Geometría fija

Page 60: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

55

¿Por qué varía el comportamiento modal del modelo en cuestión cuando variamos

la posición de los elementos? Las vibraciones tienen características particulares

como las frecuencias, sus modos y su grado de amortiguación, al variar la

posición de los elementos de un ensamble con respecto a los otros, este cambia

su forma de responder a diferentes estímulos, en este caso estamos variando la

rigidez del sistema, por esto varían las fuerzas resultantes y por consiguiente los

desplazamientos.

Comportamiento rotodinámico para cuando el disco se encuentra a 10 mm

del rodamiento1

Figura 2.6 Muestra el modelo cuando la masa se encuentra a 10mm del

rodamiento 1

En la figura 2.7 a),b),c) se muestran 3 de las frecuencias principales, sus modos y

cuáles podrían ser los desplazamientos en el caso de que el sistema oscilara a

esa frecuencia.

En la tabla 2.1 Se pueden observar los 10 valores principales de las frecuencias

propias de ese conjunto, que constituye uno de los elementos fundamentales en

la realización de este experimento.

Page 61: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

56

Figura 2.7 a),b),c) Resultados del cálculo del MEF para 10 mm de distancia del

rodamiento1

a)

c)

b)

Page 62: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

57

Tabla 2.1 Valores de frecuencia para cada modo de vibración

Nº de modo Frecuencia(Rad/seg) Frecuencia(Hertz) Período(Segundos)

1 1381,3 219,84 0,0045487

2 2212,3 352,1 0,0028401

3 2222,1 353,66 0,0028276

4 4238,5 674,58 0,0014824

5 5035,4 801,4 0,0012478

6 5150,5 819,72 0,0012199

7 7077,9 1126,5 0,00088772

8 7653,7 1218,1 0,00082093

9 8482,1 1350 0,00074076

10 8482,9 1350,1 0,00074069

Comportamiento rotodinámico para cuando el disco se encuentra a 30 mm

En la figura 2.8 a),b),c) se muestra el comportamiento de algunos modos de

vibración así como las frecuencias naturales y los desplazamientos según el MEF

para este caso y se puede apreciar que los valores de los desplazamientos se han

incrementado según muestra la escala de colores dada por el software.

En la tabla 2.2 se pueden observar los valores de las frecuencias propias para los

10 modos de vibración principales en este caso, como se puede apreciar los

valores de las frecuencias de los principales modos han sufrido algunos cambios .

Tabla 2.2 Comportamiento frecuencial de la vibración para una distancia de 30

mm del rodamiento1.

Nº de modo Frecuencia(Rad/seg) Frecuencia(Hertz) Período(Segundos)

1 1130,5 179,92 0,0055579

2 1649,8 262,57 0,0038085

3 1668,6 265,57 0,0037654

4 3663,6 583,08 0,001715

5 3911,9 622,59 0,0016062

6 4578,4 728,67 0,0013724

7 7454,4 1186,4 0,00084288

8 7568 1204,5 0,00083023

9 8483 1350,1 0,00074068

10 8485 1350,4 0,0007405

Page 63: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

58

Figura 2.8 a),b),c) Resultado del MEF para cuando el disco se encuentra a 30

mm del rodamiento 1

Comportamiento rotodinámico del modelo para cuando el disco se

encuentra en el medio del Árbol(a 150 mm del rodamento1) Material ANSI

1020

b)

a)

c)

Page 64: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

59

En la figura 2.9 a),b),c) se muestran 3 de las frecuencias propias principales del

modelo, sus modos y cuáles podrían ser los desplazamientos en el caso de que el

sistema oscilara a esa frecuencia; aquí podemos observar como siguen.

Figura 2.9 a),b),c) Muestra el comportamiento modal cuando el disco se encuentra

el centro del árbol

a)

c)

b)

Page 65: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

60

En la tabla 2.3 se puede observar el comportamiento modal del sistema cuando el

disco se encuentra situado a 150 mm del rodamiento 1, como se puede apreciar

los valores de las frecuencias de los principales modos han sufrido algunos

cambios por la variación de la posición del disco.

Tabla 2.3 Muestra el comportamiento de los principales modos de vibración para

el modelo para una distancia de150 mm del rodamiento 1.

Nº de modo Frecuencia(Rad/seg) Frecuencia(Hertz) Período(Segundos)

1 1064,3 169,39 0,0059035

2 1492,5 237,54 0,0042099

3 1513,5 240,88 0,0041515

4 3169,7 504,47 0,0019823

5 3281,5 522,26 0,0019148

6 4396,9 699,78 0,001429

7 8482,2 1350 0,00074075

8 8483,7 1350,2 0,00074062

9 9088,1 1446,4 0,00069136

10 10517 1673,9 0,00059741

Demostración de la influencia de la variación del material en la respuesta

estructural del sistema

¿Cómo influyen las variaciones de material en la respuesta vibratoria en los

sistemas rotatorios?

En este caso hay que tener en cuenta que cada material posee características

propias del módulo de elasticidad, dureza, densidad, límite de rotura, de

elasticidad, entre otras propiedades; las que definen su comportamiento al oscilar.

Al cambiar estas propiedades el sistema comienza a responder de una forma

totalmente diferente, ya que hemos cambiado su masa y su rigidez, la masa de un

cuerpo depende directamente de la densidad y la rigidez, del módulo de

elasticidad. Estos cambios en la estructura del sistema pueden provocar la

resonancia lo que podría representar la rotura del sistema.

Page 66: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

61

Comportamiento modal del modelo para un conjunto de bronce al estaño

En la figura 2.10 se puede observar cómo cambia el comportamiento modal del

sistema al cambiar las propiedades físico-químicas de los elementos del conjunto.

Figura 2.10 a),b),c) Muestra el resultado del MEF para un bronce al estaño

Posteriormente se listan las frecuencias propias correspondientes a sus modos en

la taba 2.4 donde se representan los modos y las frecuencias en diferentes

unidades y como se pude observar, ha variado la respuesta modal del sistema

producto a la variación de sus parámetros fundamentales: la masa y la rigidez.

a)

b)

c)

Page 67: Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

62

Tabla 2.4 muestra el resultado del MEF de las frecuencias propias.

Nº de modo Frecuencia(Rad/seg) Frecuencia(Hertz) Período(Segundos)

1 1058,4 168,44 0,0059368

2 1501,8 239,02 0,0041838

3 1522,8 242,36 0,0041262

4 3200,2 509,33 0,0019633

5 3315,7 527,71 0,001895

6 4451,1 708,41 0,0014116

7 8436 1342,6 0,0007448

8 8436,5 1342,7 0,00074476

9 9243,9 1471,2 0,00067971

10 10594 1686 0,00059311

Comportamiento del sistema cuando su material es aleación de aluminio

1060

En la figura 2.11 a),b),c) se representan los tres primeros modos de vibración del

modelo de estudio para una aleación de aluminio 1060, la cual posee propiedades

físicas y químicas diferentes a los materiales anteriormente utilizados.

En la tabla 2.5 se puede observar el comportamiento modal del sistema cuando

su material es una aleación de aluminio 1060 en el que se destacan las

frecuencias más importantes.

Tabla 2.5 Muestra el resultado del MEF para una aleación de aluminio 1060

Nº de modo Frecuencia(Rad/seg) Frecuencia(Hertz) Período(Segundos)

1 762,16 121,3 0,008244

2 1081,5 172,13 0,0058097

3 1096,6 174,53 0,0057297

4 2304,6 366,79 0,0027264

5 2387,7 380,02 0,0026314

6 3205,4 510,15 0,0019602

7 6075,1 966,88 0,0010343

8 6075,4 966,93 0,0010342

9 6656,9 1059,5 0,00094386

10 7628,9 1214,2 0,0008236

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63

Figura 2.11 Se muestra el comportamiento modal del sistema para una aleación

de aluminio 1060

Comportamiento modal del sistema variando el diámetro del disco

En la figura 2.12 a),b),c) se representan los tres primeros modos de vibración del

sistema para un diámetro del disco de 220 mm, lo cual provoca una variación de

la masa que es una componente principal en la frecuencia natural del modelo.

a)

b)

c)

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Figura 2.12 a),b),c) Muestra el resultado del cálculo del MEF para un diámetro del

disco de 220 mm

En la tabla 2.6 se listan las frecuencias resonantes del sistema cuando el diámetro

del disco es de 220 mm y como se pude observar han variado en su magnitud al

variar su masa producto a la variación del diámetro.

a)

b)

c)

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65

Tabla 2.6 Muestra el resultado del cálculo de las frecuencias naturales del sistema

cuando el diámetro del disco es de 220 mm

Nº de modo Frecuencia(Rad/seg) Frecuencia(Hertz) Período(Segundos)

1 628.66 100.05 0.0099946

2 996.31 158.57 0.0063065

3 1010.6 160.85 0.0062171

4 1914.1 304.63 0.0032826

5 1964 312.57 0.0031993

6 2834.6 451.14 0.0022166

7 4989 794.03 0.0012594

8 4989.5 794.11 0.0012593

9 6070 966.08 0.0010351

10 7554.2 1202.3 0.00083174

En la figura 2.13 se puede observar el comportamiento modal del sistema cuando

el diámetro del exterior disco es de 240 mm, y como se puede ver el valor de las

frecuencias naturales han disminuido con respecto al caso anterior.

En la tabla 2.7 se muestra el resultado del cálculo y se pude apreciar que el valor

de las frecuencias resonantes ha cambiado.

Tabla 2.7 Muestra el resultado del MEF para un diámetro del disco de 240 mm

Nº de modo Frecuencia(Rad/seg) Frecuencia(Hertz) Período(Segundos)

1 528,83 84.165 0,011881

2 923,21 146,93 0,0068058

3 936,42 149,04 0,0067098

4 1605,1 255,46 0,0039145

5 1639,1 260,87 0,0038334

6 2503,5 398,44 0,0025098

7 4171,7 663,94 0,0015062

8 4172 664 0,001506

9 5625,8 895,38 0,0011169

10 7493,3 1192,6 0,00083851

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Figura 2.1 a),b),c) Muestra comportamiento frecuencial según el MEF para un

diámetro del disco de 240 mm

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Como se ha podido observar en los sistemas vibratorios las frecuencias y los

grados de amortiguación pueden ser variados por las variaciones de las

posiciones de las piezas en el conjunto, las variaciones de los materiales de los

que se conforman las piezas y por las variaciones de las dimensiones de

cualquiera de sus componentes, por lo que es importante tener en cuenta estos

factores al realizar una actividad que los involucre, ya que su desconocimiento

podría causar daños catastróficos en el caso de grandes máquinas que trabajen a

grandes velocidades como las turbinas que deben trabajar en regímenes, en los

cuales estos factores podrían medir el paso de la vida a la muerte de las personas

involucradas en su funcionamiento, además, causaría un gran daño a la economía

pues la adquisición de estas grandes máquinas rotatorias es difícil por su alto

costo.

2.3.2 Estudio de sensibilidad

En el estudio de las vibraciones los análisis modales son muy importantes, por

eso es necesario determinar cuan importantes son los parámetros que puede

variar su comportamiento, como fue comprobado en el epígrafe anterior.

Anteriormente pudimos determinar que la variación de la posición de los

componentes varían la constante de rigidez del sistema los que provoca un

cambio de su respuesta frecuencial, lo mismo ocasiona la variación del material,

solo que esta vez también cambia la masa de sus componentes, los dos factores

más importantes que determinan el comportamiento del sistema, en el otro caso

donde se varían las dimensiones de las piezas solo varía la masa.

En la tabla 2.8 se muestra el comportamiento frecuencial del modelo cuando se

varió la posición del disco en el árbol, es decir, el resultado del MEF para cuando

se encueta el disco a la distancia referida del rodamiento 1 y como podemos

observar la variación de las frecuencias en los cinco modos principales se

encuentra en el rango desde 50-280Hz.

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Tabla2.8 Comportamiento de las frecuencias cuando varía la posición

Nº de modo Frecuencia(Hertz) Frecuencia(Hertz) Frecuencia(Hertz)

distancia de 10 mm distancia de30 mm Distancia de150 mm

1 219,84 179,92 169,39

2 352,1 262,57 237,54

3 353,66 265,57 240,88

4 674,58 583,08 504,47

5 801,4 622,59 522,26

En la tabla 2.9 se puede observar el resultado del MEF para cuando utilizamos

diferentes materiales en el modelo, manteniendo la misma posición y como

podemos observar en los valores principales la frecuencia tienen una variación de

48-142 Hz.

Tabla 2.9 Muestra el resultado frecuencial del MEF para diferentes materiales

Nº de modo Frecuencia(Hertz) Frecuencia(Hertz) Frecuencia(Hertz)

ANSI 1020 Bronce al estaño Aleación de aluminio 1060

1 169.39 168,44 121.3

2 237.54 239,02 172.13

3 240.88 242,36 174.53

4 504.47 509,33 366.79

5 522.26 527,71 380.02

En la tabla 2.10 se observa el comportamiento frecuencial de los modos

principales del modelo para cuando se varía el diámetro exterior del disco y como

se puede ver las frecuencias naturales tuvieron una variación desde 84-266 Hz.

Tabla 2.9 Muestra el resultado frecuencial del MEF para diámetros del disco

Nº de modo Frecuencia(Hertz) Frecuencia(Hertz) Frecuencia(Hertz)

Disco Ø200mm Disco Ø220mm Disco Ø240mm

1 168.44 100.05 84.165

2 239.02 158.57 146.93

3 242.36 160.85 149.04

4 509.33 304.63 255.46

5 527.71 312.57 260.87

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Como se puede observar anteriormente el factor que más varía la respuesta

frecuencial de un sistema rotatorio es la variación de sus características

geométricas de las piezas, esta varía directamente la masa que una de las

componentes fundamentales en el cálculo de las frecuencias naturales de las

máquinas rotatorias.

2.4 Propuesta de laboratorio

Objetivos de la práctica de laboratorio:

Enriquecer el proceso de aprendizaje de los estudiantes de la carrera de

ingeniería mecánica a cerca de los análisis modales.

Con la realización de este trabajo se demuestra que la respuesta modal de un

sistema rotatorio depende de varios factores, antes mencionados como son: la

posición de los elementos en el conjunto, los materiales de las piezas y sus

dimensiones; es muy importante su conocimiento para elaborar el diseño de una

máquina rotatoria, para su explotación y su posterior mantenimiento. Por estas

razones se propone realizar un estudio de los factores que determinan la

respuesta estructural del sistema a varios modelos de sistemas rotatorios para

que los estudiantes de la carrera Ingeniería Mecánica de la Universidad de

Holguín puedan lograr una mayor preparación en estas cuestiones para que una

vez egresados del centro sean capaces de resolver problemas que pudieran surgir

en equipos reales y así se logre una mayor eficiencia de los equipos en

explotación y evitando que ocurran la menor cantidad de fallas imprevistas.

Posteriormente se listan los aspectos a tener en cuenta para la realización de esta

actividad de laboratorio.

1. Abrir el software SolidWorks y realizar los modelos correspondientes o

abrirlos.

2. Cargar el módulo Simulation y crear un nuevo estudio de frecuencia.

3. Determinar el material de cada uno de los componentes.

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4. Definir los contactos entre las piezas.

5. Determinar las restricciones (Apoyos).

6. Ubicar las cargas existentes.

7. Crear la malla y definir el tamaño de los elementos finitos.

8. Calcular el modelo.

Después de realizados los cálculos del primer estudio crear otros en los que se

varíen las posiciones de las piezas en el conjunto, los materiales de las piezas

y las dimensiones de cada una de ellas, luego, interpretar los resultados para

llegar a conclusiones.

Impacto económico

El estudio de las vibraciones es necesario en todas las carreras de ingeniería,

pues, un mal control de ellas provocaría granes daños materiales y pérdida de

vidas humanas.

Es importante reconocer que en ocasiones las vibraciones son buenas y en otros

casos provocan grandes daños. Las máquinas de gran responsabilidad si no se

tiene control de su diseño, su explotación y su mantenimiento pueden ocasionar

destrucción de estructuras, así como de la humanidad. Su falla podría terminar

con la vida de sus operarios u otras personas y ocasionar prejuicios a la economía

por el gran costo de reparación o de compra de esto equipos, por no controlar

factores tan importantes como las vibraciones y sus frecuencias resonantes.

Contribución a la defensa de la Patria

La monitorización y control de las vibraciones en las máquinas rotatorias es válido

para cualquier equipo, no importa lo grande o pesado que esta sea. Las

frecuencias propias, los modos de vibración y los grados de amortiguación no

exceptúan a nada que tenga una masa y un movimiento oscilatorio. Si la

frecuencia de una máquina de guerra, un transporte de personal u otro equipo de

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una fábrica se iguala a una de sus frecuencias naturales principales con grados

de amortiguación relativamente bajos este podría fallar e incluso colapsar.

Es importante tener el control del funcionamiento de un equipo porque a través de

su explotación hay que darle mantenimiento, operarlo continuamente e incluso en

alguno de los casos rediseñarlo y para todas estas cuestiones el control de su

respuesta frecuencial juega un papel primordial para poder defender lo logrado

con efectividad.

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CONCLUSIONES

1. Se pudo determinar satisfactoriamente que la posición de las piezas en un

conjunto mecánico determinan el comportamiento modal vibratorio en las

máquinas rotatorias, pues, esto provoca variaciones en la constante de

rigidez del sistema, por lo que varía la frecuencia natural y es de vital

importancia a la hora de efectuar un mantenimiento o un rediseño de un

sistema rotodinámico.

2. Es importante tener en cuenta la composición química de los materiales

cuando se va a realizar una sustitución de algún elemento en el conjunto,

pues, su variación puede provocar una variación de los parámetros físicos

de un sistema vibratorio, es decir, un cambio de la masa de los elementos y

de la constante de rigidez del sistema, producto de la variación de la

densidad y el módulo de elasticidad respectivamente.

3. La variación de las dimensiones de las piezas en un equipo produce un

cambio de la respuesta estructural de la máquina rotatoria, pues, varía la

masa porque varía el volumen de los elementos y por consiguiente esta

varía las frecuencias de resonancia principales, es decir, que su respuesta

frecuencial no va a ser la misma que antes de la transformación, por lo que

constituye uno de los aspectos principales a tener en cuenta a la hora de

realizar algún cambio geométrico de un equipo, ya que se demostró que es

un factor que puede provocar una gran variación de la respuesta vibratoria

de un equipo.

4. Con la puesta en práctica de la proposición de laboratorio los estudiantes

de la carrera Ingeniería Mecánica serán capaces de resolver problemas

basados en sistemas rotodinámicos, además, podrán detectar en la

práctica por qué un sistema entra en resonancia y además podrá proponer

soluciones viables para corregir errores, basándose en algunos de los

factores que varían el comportamiento modal de un sistema rotodinámico.

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5. Este estudio constituye una de las partes del análisis vibratorio que es el

diagnóstico fundamental de un equipo para saber su estado técnico y

constituye una herramienta fundamental en el mantenimiento predictivo, es

el que permite disminuir el tiempo de reparaciones de un sistema y

aumentar el tiempo de trabajo por lo que aumenta su productividad y

disminuye los gastos por mantenimiento.

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74

Recomendaciones

1. Realizar la propuesta de laboratorio de informática para lograr que los

estudiantes, una vez egresados de la Universidad sean capaces de

detectar fallas en máquinas rotatorias relacionadas con las cuestiones

antes abordadas.

2. Realizar cursos para las personas que están vinculadas con la operación,

el mantenimiento y el diseño de máquinas rotatorias para que no sucedan

fallas relacionadas con la resonancia en máquinas rotatorias.

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